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1、No.1SIWR-型和型水下作业机械手模拟试验装置2.2 2.2 手部设计手部设计No.22.2 2.2 手部设计手部设计新松的装配机器人No.32.2 手部设计手部设计l2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计l2.2.2 吸盘式手部的设计吸盘式手部的设计l2.2.3 类人机器人的手部类人机器人的手部 关节式手指关节式手指No.42.2 2.2 手部设计手部设计习题：设计一手部结构，用来抓取盘中的苹果。要求：画出结构，并给出关键尺寸。说明其驱动方式及计算增力比N/P。No.5 机器人的手部是重要的执行机构。从其功机器人的手部是重要的执行机构。从其功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和
2、能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。前者应用较多，也比较成类人机器人的手部。前者应用较多，也比较成熟，后者正处于深入研究阶段。熟，后者正处于深入研究阶段。 工业机器人的手部是用来抓取工件或工具工业机器人的手部是用来抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重量、材质等的不同，手部的结构也是多种多样量、材质等的不同，手部的结构也是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，结而专门设计的。各种手部的工作原理不同，结构型式各异。常用的手部按其握持
3、原理的不同构型式各异。常用的手部按其握持原理的不同可分为两类，即钳爪式和吸附式。可分为两类，即钳爪式和吸附式。2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.62.2 手部设计手部设计No.72.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.8 钳爪式手部的组成钳爪式手部的组成 一般的钳爪式手部由以下三部分组成：一般的钳爪式手部由以下三部分组成：手指：手指：传动机构：传动机构：驱动装置：驱动装置： 此外，还有连接和支撑元件，将上述此外，还有连接和支撑元件，将上述各部分连接成一个整体，以及实现手部各部分连接成一个整体，以及实现手部与机器人的腕部的连接。与机器人的腕部的连
4、接。2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.9一、手指2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.10二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计斜楔杠杆式手部斜楔杠杆式手部 No.11二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计滑槽杠杆式手部滑槽杠杆式手部 No.12二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计双支点连杆杠杆式手部双支点连杆杠杆式手部 No.13二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设
5、计齿条齿轮杠杆式手部齿条齿轮杠杆式手部 No.14二、传动机构平移型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计直线平移型手部直线平移型手部 No.15二、传动机构平移型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计四连杆机构平移型手部四连杆机构平移型手部 No.161-齿条 2-齿轮 3-工件齿轮齿条移动式手爪1322.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计二、传动机构其它结构型式No.17重力式手爪 二、传动机构其它结构型式No.18拨杆杠杆式钳爪 二、传动机构其它结构型式No.19内撑式三指钳爪 二、传动机构其它结构型式No.20三、钳
6、爪式手部的设计要点2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计应具有足够的夹紧力应具有足够的张开角应能保证工件的可靠定位应具有足够的强度和刚度应适应被抓取对象的要求应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高应具有一定的通用性和可互换性No.21四、钳爪式手部结构举例以及夹紧力的分析计算2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 手部机构的结构型式不同，其特点手部机构的结构型式不同，其特点也各不相同，下面仅举几个结构实例及也各不相同，下面仅举几个结构实例及其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳爪式手部机构夹持工件的夹紧力是通过爪式手部机构夹持工件的
7、夹紧力是通过驱动装置驱动装置( (液压、气动或电动液压、气动或电动) )所产生的所产生的驱动力经过手部机构的传递而产生的。驱动力经过手部机构的传递而产生的。No.22四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例 齿轮齿条式手部结构齿轮齿条式手部结构 注：两手指平移 增力比（N/P）小N=P/2NNP2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.23四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例平行连杆杠杆式手部结构平行连杆杠杆式手部结构 N=PLcos(+)/(2lsincos)注：ABDE，DBAE，LBC杆长，lAB杆长；两手指保持平行；当角较小时，可获得较大的力比。NNPABC
8、E2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.24四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例 连杆杠杆式手部结构连杆杠杆式手部结构PNNcbN=Pcsin(+)/2bsinsin注：手指开闭角较小；当取较小的时，可获得较大的增力比（即NP）2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.25四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例斜楔杠杆式手部结构斜楔杠杆式手部结构 PcbPNN=Pcctg/2N2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.26四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例滑槽杠杆式手部结构滑槽杠杆式手部结构 PNNbNPc/2b
9、2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计No.27 吸附类手部也主要分为两种，吸附类手部也主要分为两种，即气吸式和磁吸式两种。即气吸式和磁吸式两种。 气吸式是指用负压吸盘吸附工气吸式是指用负压吸盘吸附工件，按负压产生的方式不同，可分件，按负压产生的方式不同，可分为挤压式和真空式两种。为挤压式和真空式两种。 磁吸式手部是在手腕部装上电磁吸式手部是在手腕部装上电磁铁，通过电磁吸力把工件吸住。磁铁，通过电磁吸力把工件吸住。2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计No.28一、气吸式手部的种类真空吸盘系统2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计No.29
10、一、气吸式手部的种类123451-电机 2-真空泵 3,4-电磁阀 5-吸盘真空吸盘控制系统真空吸盘控制系统42.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计No.30一、气吸式手部的种类气流负压喷嘴吸盘结构原理图气流负压喷嘴吸盘结构原理图 挤压负压式吸盘挤压负压式吸盘 2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计No.31吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的真空度真空度( (或负压大小或负压大小) )以及吸盘的吸附面以及吸盘的吸附面积的大小有关。工件被吸附表面的形状积的大小有关。工件被吸附表面的形状和表面不平度也对其有一定的影响，设和表面不
11、平度也对其有一定的影响，设计时要充分考虑上述各种因素，以保证计时要充分考虑上述各种因素，以保证有足够的吸附力。有足够的吸附力。应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘状吸头。状吸头。二、气吸式手部的设计要素2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计No.32三、气吸式手部的吸力计算2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计 吸盘吸力的大小主要取决于真空度吸盘吸力的大小主要取决于真空度( (或负压的大小或负
12、压的大小) )与吸附面积的大小。与吸附面积的大小。 真空吸盘吸力真空吸盘吸力F F计算公式：计算公式：)76(43212HKKKnDFNo.33 磁吸式手部是利用永久磁铁或磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力来吸取工件。电磁铁通电后产生磁力来吸取工件。 磁吸式手部只能对铁磁物体起作磁吸式手部只能对铁磁物体起作用；另外，对某些不允许有剩磁的用；另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸式手零件要禁止使用。所以，磁吸式手部的使用有一定的局限性。部的使用有一定的局限性。2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计四、磁吸式手部的原理与应用No.34五、磁吸式手部2.2
13、.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计电磁铁工作原理电磁铁工作原理 No.35五、磁吸式手部2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计盘状磁吸附手部结构盘状磁吸附手部结构 No.36五、磁吸式手部2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计几种电磁式吸盘工作示意图几种电磁式吸盘工作示意图 No.37应具有足够的电磁吸引力。应根据被吸附工件的形状、大小来确定电磁吸盘的形状、大小，吸盘的吸附面应与工件的被吸附表面形状一致。电磁吸力的计算a.直流电磁铁的吸力计算：b.交流电磁铁的吸力计算：NBS250002()NBSm平均()50022.2.2 2.2.2 吸附
14、式手部的设计吸附式手部的设计六、磁吸式手部的设计要点及计算12345678910111.1. 磁盘；磁盘；2 2防尘盖；防尘盖；3 3线圈；线圈；4 4外壳体；外壳体；5 5螺母；螺母；6 6防尘螺母；防尘螺母；7 7，9 9垫圈；垫圈；8 8螺母；螺母；1010轴承；轴承；1111出导线孔出导线孔No.382.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 带带“眼睛眼睛”（机（机器视觉系统）的件器视觉系统）的件箱拆垛手爪；工料箱拆垛手爪；工料定位精度定位精度mmmm，负，负载能力载能力100kg100kg；物料最大尺寸：物料最大尺寸：1000mm1000mm600mm,600mm,可
15、可2 2件或件或3 3件一起抓取。件一起抓取。 带带“眼睛眼睛”（机（机器视觉系统）的辅器视觉系统）的辅料堆垛手爪料堆垛手爪; ;工料工料识别准确率：识别准确率：100%100%，工料定位精度工料定位精度1mm1mm，负载能力，负载能力125kg;125kg;物料最大物料最大尺寸：尺寸：600mm600mm500mm 500mm 件箱堆垛手件箱堆垛手爪：负载能力爪：负载能力100kg,100kg,物料物料最大尺寸：最大尺寸：1000mm1000mm600mm 600mm 带传感器识别、带传感器识别、抓取薄膜的拆包抓取薄膜的拆包手爪：识别定位手爪：识别定位精度精度0.5mm0.5mm，带抓取、剪
16、断钢带抓取、剪断钢质捆扎带机构。质捆扎带机构。 烟包搬运机械烟包搬运机械手：搬运负载手：搬运负载能力能力300kg,300kg,带取夹板辅助带取夹板辅助功能。功能。No.39 大部分的工业机器人的手部只有两大部分的工业机器人的手部只有两个手指，而且手指上一般没有关节。为个手指，而且手指上一般没有关节。为了使机器人的手臂能完成各种不同的工了使机器人的手臂能完成各种不同的工作，有更大的适应性和通用性，除了要作，有更大的适应性和通用性，除了要使臂部具有更大的空间活动范围外，还使臂部具有更大的空间活动范围外，还要在其上安装一个更灵巧的手，即类人要在其上安装一个更灵巧的手，即类人手。这种手是由若干带有关
17、节的手指构手。这种手是由若干带有关节的手指构成。成。 2.2.3 2.2.3 类人机器人的手部类人机器人的手部关节式手指关节式手指 No.40类人机器人的手部具有多关节的三指手具有多关节的三指手 No.41类人机器人的手部1,9-1,9-适应弹簧适应弹簧 2,3,8-2,3,8-连杆连杆 4 4食指食指 5 5中指中指6 6无名指无名指 7 7小指小指 1010蜗轮蜗轮 1111驱动杆驱动杆贝尔格莱德手贝尔格莱德手1234567891011No.42 在张启先院士的主持下，在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人北京航空航天大学机器人研究所于研究所于80年代末开始年代末开始灵巧手的研究与开
18、发。灵巧手的研究与开发。 灵巧手有三个手指，每灵巧手有三个手指，每个手指有个手指有3个关节，个关节，3个个手指共手指共9个自由度，微电个自由度，微电机放在灵巧手的内部，各机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实采用两级分布式计算机实时控制系统。时控制系统。北航研制的BH-3灵巧手北航研制的BH-4灵巧手 BH-4型灵巧手有四个型灵巧手有四个手指，每个手指有手指，每个手指有4个关节，个关节，4个手指共个手指共16个自由度，其个自由度，其关节由齿轮传动，包括直流关节由齿轮传动，包括直流伺服电机、行星减速
19、器和光伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电转角，关节轴绝对转角由电位计测量。位计测量。No.43四指每个手指三个自由 度，末端两关节耦合 腱和滑轮传动直线电机驱动指端力/力矩传感器位置传感器关节力矩传感器哈尔滨工业大学研制的HIT-1手No.44哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR手四指每个手指三个自由 度，基关节两个，上面两个关节通过连杆耦合齿轮系、谐波齿轮 传动无刷直流电机驱动指端力/力矩传感器位置传感器关节力矩传感器传感器处理电路，电机驱动电路实现手指集成化No.45我校研制的三指灵
20、巧手 三指手指三自由度斜齿轮传动直流电机驱动位置传感器指端三维力传感器No.46 Utah/MIT型灵型灵巧手外形与人手更接巧手外形与人手更接近。该手包括近。该手包括3个具个具有有4自由度的手指和自由度的手指和一个拇指，其几何尺一个拇指，其几何尺寸和人手接近。寸和人手接近。 该手由该手由4个具有个具有4自由度的手指模块组自由度的手指模块组成，每个模块由腱、成，每个模块由腱、滑轮传动系统驱动。滑轮传动系统驱动。No.47Stanford/JPL灵巧手 Stanford/JPL型灵巧手有三个手指，每个手指有型灵巧手有三个手指，每个手指有3个个自由度和自由度和4根控制线，整个手由根控制线，整个手由1
21、2个直流伺服电机组成的个直流伺服电机组成的驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。No.48德国宇航中心研制的德国宇航中心研制的DLRDLR手手No.49 “海沟号”无人潜水器 “海沟号”无人潜水器在大海中No.50摘西红柿机器人摘西红柿机器人No.512.3 腕部腕部设计设计l2.3.1 概述概述 l2.3.2 腕部的设计要点腕部的设计要点 l2.3.3 典型的腕部结构典型的腕部结构No.522.3.1 概述 机器人操作臂将末端工具置于机器人操作臂将末端工具置于其工作的三维空间内的任意点需要其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。
22、为了进行实际操作，三个自由度。为了进行实际操作，它还应该能够将工具置于任意的方它还应该能够将工具置于任意的方位，这还需要一个腕部，它一般还位，这还需要一个腕部，它一般还需要有三个自由度，即回转、俯仰需要有三个自由度，即回转、俯仰和摆动三个自由度。和摆动三个自由度。No.532.3.1 概述具有回转、俯仰和摆动三个自由度的手腕具有回转、俯仰和摆动三个自由度的手腕回转摆动手腕俯仰No.542.3.1 概述(a)(a)是一种翻转是一种翻转(Roll)(Roll)关节，它把手臂纵轴线关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种轴线形式，这种R R关节关节旋转角度大，可达到
23、旋转角度大，可达到360360以上。以上。 (b)(c)(b)(c)是一种折曲是一种折曲(Bend)(Bend)关节，关节轴线关节，关节轴线与前后两个连接件的轴与前后两个连接件的轴线相垂直。这种线相垂直。这种B B关节关节因为受到结构上的干涉，因为受到结构上的干涉，转角度小，大大限制了转角度小，大大限制了方向角。这和人的手腕方向角。这和人的手腕差不多差不多. . （d d）所示为移动关节，）所示为移动关节，也叫也叫T T关节关节No.552.3.1 概述二自由度手腕二自由度手腕可以由一个可以由一个R R关关节和一个节和一个B B关节关节组成组成BRBR手腕手腕(a),(a),也可以由两个也可以
24、由两个B B关节组成关节组成BBBB手腕手腕(b)(b)。但是，不。但是，不能由两个能由两个R R关节关节组成组成RRRR手腕，因手腕，因为两个为两个R R关节共关节共轴线，所以退化轴线，所以退化了一个自由度，了一个自由度，实际只构成了单实际只构成了单自由度手腕自由度手腕(c).(c).No.562.3.1 概述三自由度手腕三自由度手腕可以由可以由B B关节和关节和R R关节组成许多种关节组成许多种形式。此外，形式。此外，B B关节和关节和R R关节排关节排列的次序不同，列的次序不同，也会产生不同的也会产生不同的效果，也产生了效果，也产生了其它形式的三自其它形式的三自由度手腕。为了由度手腕。为
25、了使手腕结构紧凑，使手腕结构紧凑，通常把两个通常把两个B B关关节安装在一个十节安装在一个十字接头上，这对字接头上，这对于于BBRBBR手腕来说手腕来说大大减小了手腕大大减小了手腕纵向尺寸。纵向尺寸。No.572.3.1 概述No.582.3.1 概述No.592.3.1 概述No.602.3.2 腕部的设计要点 结构应尽量紧凑、重量轻结构应尽量紧凑、重量轻 要适应工作环境的要求要适应工作环境的要求 要综合考虑各方面要求，合理布要综合考虑各方面要求，合理布局局 No.612.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构No.62A.具有回转运动的腕部结构具有回转缸
26、的腕部结构具有回转缸的腕部结构腕部回转腕部回转手部夹持手部夹持No.632.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构一、直接驱动的腕部结构 A.A.具有回转运动的腕部结构具有回转运动的腕部结构 B.B.具有回转和摆动运动的腕部结构具有回转和摆动运动的腕部结构No.64B.具有回转和摆动运动的腕部结构具有回转与摆动的腕部结构具有回转与摆动的腕部结构腕部摆动腕部摆动腕部回转腕部回转腕部回转缸腕部回转缸腕部摆动缸腕部摆动缸No.652.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构 A.具有两个自由度机械传
27、动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动 No.66A.具有两个自由度机械传动的腕部结构具有两个自由度机械传动的腕部结构原理具有两个自由度机械传动的腕部结构原理 No.672.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构 A.具有两个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动 B.B.具有三个自由度机械传动的腕部结构具有三个自由度机械传动的腕部结构 a.a.腕部俯仰运动及其诱起运动；腕部俯仰运动及其诱起运动；b.b.腕部回转运动腕部回转运动 及其诱起运动；及其诱起运动；c.c.手部回转运动手部回转运动No.68B.具有三个自由度机械传动的腕部结构具有三个自由度机械传动的腕部机构原理图具有三个自由度机械传动的腕部机构原理图123B2TS45678910111213141516171918B1BNo.692.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构三、柔顺手腕结构 No.702.3.3 典型的腕部结构 No.712.3.3 典型的腕部结构 No.722.3.3 典型的腕部结构 柔顺手腕结构